Zijn wij alleen in de kosmos – deel 3: Is er leven op Exo?

We luisteren al ruim 60 jaar naar radiogolven uit de ruimte, maar E.T. houdt zich akelig stil. De afgelopen jaren hebben we wel een stortvloed aan exoplaneten ontdekt. Wat levert deze mooie vangst ons op met het oog op de zoektocht naar exoleven? Wat mogen we in de nabije toekomst verwachten?

Proxima Centauri b orbiting Proxima Centauri. © Ricardo Ramirez & James Jenkins (Department of Astronomy, Universidad de Chile)

Deel 2 – De jacht op exoplaneten leerde ons dat de Zon zeker niet de enige ster is die kan uitpakken met een planeetsysteem. Hoewel planeten moeilijk te ontdekken zijn – ze stralen zelf geen licht uit – leverde onze eerste echte zoektocht een mooi vangst op: de satelliet Kepler vond er 2338. Inmiddels (op 14 maart 2019) staat de teller op 3925. Eerder deze maand bevestigde een team van onderzoekers overigens het bestaan van Kepler-1658 , de allereerste exoplaneet die Kepler inmiddels zowat 10 jaar geleden ontdekte. Ook vanuit theoretische hoek verschijnen planeten als een natuurlijk bijproduct van stervorming.

De verwachting is dan ook dat het heelal wemelt van de exoplaneten. Kunnen ze buitenaards leven herbegren?

Goudlokje

Alle beschouwingen over exoleven vertrekken noodgedwongen vanuit het enige voorbeeld dat we kennen: het leven op aarde. Aangezien de aanwezigheid van vloeibaar water hierin een cruciale rol speelt, gaan we er tegen beter weten in maar van uit dat exoleven ook het meest kans maakt op planeten met een temperatuur die vloeibaar water toelaat. Daarom zoeken we voor elke ster met exoplaneten uit in welk gebied de temperatuur tussen 0°C en 100°C ligt, zodat eventueel water er niet bevriest of verdampt. We noemen dit het Goudlokjegebied (Engels Goldilocks zone) naar het sprookje waarin Goudlokje uit drie borden pap kiest voor de portie die net de juiste temperatuur heeft, niet te heet en niet te koud.

Het Goudlokjegebied is de zone rond een ster waarbinnen water – voor zover het zou voorkomen – niet bevriest of verdampt heet.

Dit hoeft niet te betekenen dat leven enkel daarbinnen mogelijk is. De achterliggende gedachte is veeleer: als je ergens moet gaan zoeken, dan misschien best eerst daar. Meer dan dit is het dan ook niet: er kunnen gerust levensvormen bestaan buiten deze zone, net zoals er geen enkele garantie is dat leven daadwerkelijk optreedt binnen deze zone. Denken we maar aan de Maan, Venus en Mars, die alle drie in het Goudlokjegebied van de Zon liggen, maar (momenteel) geen vloeibaar water bevatten en niet meteen bewoonbaar lijken.

Water in overvloed?

Voor zover onze focus op (vloeibaar) water gerechtvaardigd is, rijst in de eerste plaats de vraag welke bron de Aarde van water heeft voorzien. Een definitief antwoord is er nog niet, maar de asteroïden in de gordel tussen Mars en Jupiter zijn wel een prima kandidaat.  Water zit er opgesloten in mineralen en zou kunnen vrijgekomen zijn bij inslagen op het aardoppervlak. Ook kometen kunnen de rol van waterdrager op zich nemen. Dit houdt in dat een planeet niet op eigen kracht leefbaar is, maar dit via externe bron kan worden (of geweest zijn).

Asteroïden en kometen kunnen fungeren als waterdrager voor exoplaneten die zich in het Goudlokjegebied bevinden.

Sterrenkundigen nemen alvast aan dat heel wat rotsachtige planeten helemaal verdrinken in oceanen van wel 100 tot 200 km diep. Dit zou met name het geval zijn voor exoplaneten met een straal die zowat 2 tot 4 maal groter is dan die van de Aarde. Door gegevens van de Keplertelescoop en ESA’s Gaiasatelliet te combineren, schat een groep onderzoekers van de Harvard University dat dit het geval is voor ongeveer 35% van de tot dusver ontdekte exoplaneten.

Artistieke impressie van een waterplaneet.

Potentieel bewoonbare planeten

De zoekcirkel wordt nog verder verkleind door bijkomend te eisen dat de exoplaneet rotsachtig is zoals de binnenplaneten van het zonnestelsel en een straal en massa heeft die grosso modo vergelijkbaar is met die van de aarde. Dit leidt tot een lijst van ‘potentieel bewoonbare planeten’, waarvan er momenteel iets meer dan 50 stuks geïdentificeerd zijn. Eentje hiervan, Proxima Centauri b, geniet onze bijzondere interesse, aangezien zijn moederster met een afstand van 4 lichtjaar de dichtste buur van de Zon is.

Proxima Centauri b bevindt zich naar onze maatstaven vlakbij zijn ster, een rode dwerg die aanzienlijk kouder is dan de Zon.

De kwalificatie ‘potentieel’ is belangrijk. Om levensvormen zoals de onze te herbergen moet een planeet naast vloeibaar water minstens ook beschikken over een magnetisch veld en een atmosfeer. Het magnetisch veld vormt een schild tegen schadelijke straling van de moederster en uit de ruimte, een taak waarvan de atmosfeer zich evenzeer kwijt. De atmosfeer behoedt ons verder voor inslaande meteorieten, tempert via het natuurlijk broeikaseffect de temperatuurverschillen tussen dag en nacht en schenkt ons een waterkringloop. En zelfs al is een exoplaneet opgetuigd met alle mogelijke toeters en bellen die de Aarde ons biedt, dan geeft dit uiteraard nog steeds geen enkele garantie dat hij effectief leven herbergt.

Ter illustratie hiervan keren we nog even terug naar Proxima Centauri b. De ster Proxima Centauri is als rode dwerg veel kouder dan de Zon, waardoor het Goudlokjegebied er zeer dicht bij ligt. Dit maakt Proxima Centauri b vatbaar voor zonnevlammen. Bovendien speelt de getijdenwerking op die korte afstand veel sterker, waardoor deze exoplaneet, net als de Maan ten opzichte van de Aarde, wellicht steeds met dezelfde kant naar de ster kijkt. Dit verlaagt de kans dat hij over een magnetisch veld beschikt dat hem zou kunnen beschermen tegen de zonnevlammen en andere schadelijke straling.

Volgende halte: exoatmosferen

Maar door lijstjes op te stellen met exoplaneten die het meest op de Aarde gelijken, kunnen we wel de juiste focus leggen om de volgende grote stap te zetten in het onderzoek naar exoleven. Die bestaat erin om te kijken naar de eventuele atmosfeer van exoplaneten, in de hoop er moleculen in aan te treffen die een biosignatuur dragen. Het principe is behoorlijk rechttoe-rechtaan. Door naar het sterlicht te kijken wanneer de exoplaneet tussen ons en de moederster staat, kunnen we meten welke golflengten van het achterliggende sterlicht wel of niet door de atmosfeer van de exoplaneet raakt.

Die (banden van) golflengten kunnen we vervolgens associëren met moleculen, wat ons informatie oplevert over de chemische samenstelling van de exoatmosfeer. Met de kennis die we tot dusver hebben over leven, zouden we dan kunnen zien of de atmosfeer van zo’n exoplaneet een biosignatuur draagt, bv. door er zuurstofverbindingen in aan te treffen. Toch belooft het een flinke kluif te worden voor astrobiologen om geen overhaaste conclusies te trekken. In 2015 toonden Japanse onderzoekers bij voorbeeld aan dat abiotische processen voor zuurstof in een atmosfeer kunnen zorgen. Hoe dan ook mogen we hopen om tegen 2030 toch al wat exoatmosferen in kaart te hebben.

Absorptie en emissie van licht in de atmosfeer van een exoplaneet tijdens de transit kan informatie verschaffen over de mogelijke aanwezigheid van levende organismen op die planeet.

Hiervoor rekenen we op de langverwachte ruimtetelescoop James Webb Space Telescope (verwachte lancering op 30 maart 2021) en de aardse telescopen Giant Magellan Telescope (operationeel in 2024) en (operationeel in 2025) Extremely Large Telescope.

Balans

Wat is nu de balans na deze eerste drie delen over exoleven?

  1. De zoektocht naar radiogolven als teken van intelligente exobeschavingen heeft sinds 1960 niets opgeleverd.
  2. Terwijl technieken om exoplaneten op te sporen nog volop in ontwikkeling zijn, hebben we op korte tijd ruim 4000 exemplaren gedetecteerd.
  3. Dit voedt de verwachting dat het heelal krioelt van de exoplaneten.
  4. Tot nader order kunnen we best naar exoleven zoeken op planeten die de aanwezigheid van vloeibaar water toelaten.
  5. Op basis van de momenteel beschikbare gegevens bestaat de verwachting dat heel wat exoplaneten zich in de potentieel bewoonbare zones rond sterren bevinden.
  6. Om daadwerkelijk leven (zoals wij dat kennen) te kunnen herbergen is meer nodig dan de geschikte afstand tot de ster: waterbronnen, magneetveld, atmosfeer, …
  7. De meeste hoop is nu gevestigd op het identificeren van de chemische samenstelling van atmosferen rond exoplaneten, in de hoop er moleculen met een duidelijke biosignatuur in aan te treffen.

In deel 4 leggen we ons oor te luister bij twee ruimtegidsen: Frank Drake en Nikolai Kardashev.

Zijn wij alleen in de kosmos? – deel 2: De jacht op exoplaneten

Weinig vragen spreken meer tot de verbeelding. De ontdekking van exoplaneten en het vooruitzicht dat we in de komende jaren zicht krijgen op de chemische samenstelling van hun atmosfeer laat deze vraag steeds meer opschuiven van science fiction naar science. In deze reeks bekijken we hoe de wetenschap deze vraag benadert.

De jacht op exoplaneten

In deel 1 – Aliens van vroeger tot nu mikten we meteen hoog: met radiotelescopen zochten we naar signalen uit de ruimte, uitgezonden door een exobeschaving. Ook al hebben we in die bijna 60 jaar sinds we onze radiotelescopen op de ruimte richten nog geen bevestigd onverklaarbaar signaal opgevangen, onderzoekers blijven dit spoor bewandelen.

Maar het is intussen lang niet meer het enige, en zelfs niet meer het voornaamste spoor. Eén van de grote doorbraken van de 21ste eeuw in dit opzicht, is de jacht op exoplaneten.

Van gaswolk tot planeet

In Duizelingwekkende dimensies beschreven we reeds hoe onze positie in het heelal telkens weer een stukje minder bevoorrecht bleek dan gedacht. De aarde staat niet in het centrum, maar draait rond de zon. De zon is zelf een vrij gewone ster op een weinig opvallende plek in één van talloos veel sterrenstelsels. Als de vorming van planeten rond sterren dan ook nog eens een universeel proces zou zijn, vervalt zelfs ons speciaal statuut van planeet.

Het voortschrijdend inzicht in het proces van stervorming in de laatste decennia van de vorige eeuw wees alvast in die richting. Sterren ontstaan wanneer een gaswolk onder invloed van haar eigen zwaartekracht samentrekt tot klonters. Elke klonter kan aanleiding geven tot de vorming van een ster. De overschotjes van dat proces verzamelen zich in een schijf van stof en gas rond de pas gevormde ster. Brokstukjes uit die stofschijf kunnen samenklitten tot planeten en andere hemellichamen.

Schematisch overzicht van stervorming: een wolk trekt samen onder invloed van de eigen zwaartekracht. Uit elke klonter kan een ster ontstaan, met resterend gas en stof errond.

Zoeken in het infrarood

Maar hoe ontdek je dan een planeet rond een andere ster dan de zon, exoplaneet genaamd? Een planeet zendt nu eenmaal geen licht uit, dus hoe kan je er dan ooit een zien? Daarom zochten sterrenkundigen aanvankelijk vooral naar indirect bewijsmateriaal. De stofschijf rond de ster zou een deel van het sterlicht moeten absorberen en als warmtestraling in het infrarode gebied van het spectrum uitzenden. Als je vanop aarde (of met een ruimtetelescoop) naar een ster kijkt en je hebt het geluk dat de stofschijf zich op de gezichtslijn bevindt, kan je de aanwezigheid ervan afleiden uit een teveel aan infrarode straling.

Zo werden in de jaren 1990 dankzij gegevens van infrarode ruimtetelescopen de eerste voorzichtige voorspellingen gemaakt van het percentage sterren met stofschijven – en dus vermoedelijk planeetvorming (bv. An analysis of the incidence of the VEGA phenomenon among main-sequence and POST main-sequence stars). Deze methode bevestigde empirisch dat het proces dat tot planeten moet leiden inderdaad veelvuldig optreedt, maar een echte ‘smoking gun’ voor het ontdekken van exoplaneten kon je het nog niet noemen.

De Infrared Space Observatory (1995-1998) is één van de satellieten waarmee onder meer gezocht werd naar warmtestraling afkomstig van stofschijven rond sterren.

‘Transit’

Gelukkig zijn intussen een rist andere methodes ontwikkeld die soelaas brachten. De meest succesvolle, ‘transit’ genaamd, bestaat erin om te zoeken naar een tijdelijke en periodiek weerkerende daling van de lichtintensiteit van een ster. Die laat zich verklaren door een planeet die op zijn baan rond de waargenomen ster bij elk rondje tussen ons en de ster schuift en zodoende een beetje sterlicht aan onze telescoop onttrekt.

Visualisatie van ‘transit’, een methode om exoplaneten te ontdekken door te kijken naar variaties in de helderheid van de ster.

Intussen zijn 3917 exoplaneten ontdekt, waarvan 3058 met behulp van deze ‘transit’. Een andere succesvolle methode maakt gebruik van de zwaartekracht waarmee een exoplaneet aan de ster ‘trekt’. Die is uiteraard heel wat kleiner dan die van de zon op de exoplaneet, maar in een aantal gevallen toch voldoende groot om meetbare variaties op te leveren in de snelheid waarmee de ster ten opzichte van ons beweegt.

Sinds de eerste schuchtere pogingen in de jaren 1990 gaat het crescendo met de ontdekking van exoplaneten, in het bijzonder met dank aan de Kepler Space Telescope (zie hieronder).

Soms ontdekken we heuse planetenstelsels, zoals het systeem TRAPPIST-1, in 2015 ontdekt door Luikse onderzoekers.

Het systeem TRAPPIST-1, in 2015 ontdekt door onderzoekers van de Université de Liège.

Ruimtetelescopen

Een ruime meerderheid van de tot dusver gevonden exoplaneten hebben we te danken aan de Kepler Space Telescope. Deze ruimtetelescoop bleef actief van 2009 tot eind vorig jaar en maakte gebruik van de transitmethode. Sinds 18 april 2018 zet opvolger TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) het werk van de Kepler Space Telescope voort. De verwachtingen zijn hooggespannen: de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA gaat voor 20.000 nieuwe exoplaneten, te ontdekken in een tijdspanne van hooguit enkele jaren.

Nagenoeg alle exoplaneten die vandaag gekend zijn, hebben we te danken aan de eind 2018 ter ziele gegane satelliet Kepler.

TESS, opvolger van de Kepler Space Telescope, moet vele duizenden nieuwe exoplaneten ontdekken.

Van exoplaneet naar exoleven?

De poging in deel 1 om rechtstreeks sporen van leven op te vangen bleek te hoog gegrepen. Daarom focusten we in dit tweede deel op wat exoleven sowieso nodig lijkt te hebben: exoplaneten. Die strategie leverde de afgelopen jaren een mooie vangst op, met uitzicht op nog veel meer.

Maar brengt dit ons nu dichter bij de vraag naar exoleven in het heelal? Als we kunnen aantonen dat het heelal bulkt van de exoplaneten, zou je kunnen aanvoeren dat zelfs een onooglijk kleine kans op exoleven al zou volstaan op basis van de enorme dimensies van het heelal.

Maar van wetenschap mag je wel een solidere indicatie verwachten. Dit vertaalt zich in twee concrete initiatieven. Het eerste is het zoeken naar zogenaamde Goldilockzones rond exoplaneten. Die brengen het gebied in kaart waar vloeibaar water zou kunnen voorkomen. Exoplaneten in de Goldilockzone genieten dan ook onze bijzondere aandacht. Het tweede is de studie van de eventuele atmosferen van exoplaneten in de nabije toekomst.

Beide initiatieven, die de link leggen tussen exoplaneten en de zoektocht naar exoleven, vormen het onderwerp van deel 3.